Os chips de silício têm sido a espinha dorsal da computação moderna há décadas. Agora os investigadores estão a atribuir-lhes um papel totalmente novo na biotecnologia. Além de processar informações, esses chips estão sendo cada vez mais usados para estudar sistemas vivos, registrando a atividade neuronal, lendo DNA e agora até produzindo DNA.
Em um novo estudo publicado em Eletrônica da naturezauma equipe de pesquisa liderada por Harvard revelou um chip de silício capaz de sintetizar 64 sequências diferentes de DNA simultaneamente. Em vez de depender do processo químico intensivo em solventes normalmente usado para produzir DNA sintético, o dispositivo utiliza uma abordagem enzimática à base de água. Correntes elétricas cuidadosamente controladas desencadeiam reações de construção de DNA em locais específicos do chip.
A pesquisa foi liderada por Donhee Hamm, professor de Engenharia e Ciências Aplicadas John A. e Elizabeth C. Armstrong na Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas John A. Paulson (SEAS).
Uma maneira mais limpa de produzir DNA
O DNA sintético é importante para muitas áreas da ciência e da medicina modernas, incluindo diagnóstico, engenharia genômica e pesquisa do câncer. Hoje, a maioria dos DNAs personalizados são produzidos usando a química da fosforamidita, um método bem conhecido que pode produzir milhões de sequências de DNA em paralelo. No entanto, este processo depende de solventes orgânicos perigosos e geralmente requer instalações especializadas e centralizadas.
Os cientistas estão estudando a síntese enzimática de DNA como uma alternativa mais suave porque utiliza água e se assemelha mais à maneira como as células vivas produzem naturalmente o DNA. Esta abordagem poderia eventualmente permitir sistemas de síntese de DNA menores, mais seguros e mais acessíveis.
Até agora, no entanto, os métodos enzimáticos ficaram muito atrás da produção convencional em termos do número de sequências de DNA que podem produzir simultaneamente. As demos anteriores eram limitadas a cerca de uma dúzia de sequências por vez. O chip da equipe de Harvard sintetizou com sucesso 64 sequências diferentes de DNA em paralelo, cada uma atingindo 39 nucleotídeos, estabelecendo um novo marco na tecnologia.
Como um chip de silício registra DNA
O DNA é montado um nucleotídeo de cada vez. Após a adição de cada nucleotídeo, um grupo bloqueador temporário impede o crescimento adicional. Antes que o próximo nucleotídeo possa ser ligado, esse grupo bloqueador deve ser removido por um processo denominado desproteção, que é desencadeado por condições ácidas ou baixo pH da água.
A produção de muitas sequências de DNA diferentes requer simultaneamente a redução do pH apenas em locais selecionados durante cada ciclo de síntese. O chip de Harvard consegue isso usando pequenas correntes elétricas.
Sua superfície contém 64 locais de síntese. Cada ponto possui dois eletrodos de anel concêntrico circundando as moléculas de DNA ancoradas no centro. Quando um local específico é ativado, o eletrodo interno gera prótons que diminuem o pH local e permitem o crescimento da fita de DNA. Ao mesmo tempo, o eletrodo externo remove os prótons que se propagam para fora, mantendo a região ácida confinada naquele local.
Ao repetir esse processo ao longo de vários ciclos, o chip constrói 64 sequências únicas de DNA em sua superfície.
Da pesquisa cerebral à síntese de DNA
Curiosamente, o chip não foi originalmente concebido para produzir DNA.
Geoffrey Abbott, um ex-aluno de pós-graduação no laboratório de Ham, desenvolveu originalmente a eletrônica de silício para registrar a atividade elétrica em grandes populações de neurônios. Após a reengenharia dos eletrodos de superfície, os pesquisadores descobriram que a mesma tecnologia básica poderia controlar com precisão as condições químicas necessárias para a síntese do DNA.
“A característica definidora do chip foi a injeção precisa de corrente que usamos para permeabilizar as membranas neuronais para acesso intracelular”, disse Hamm. “A certa altura, questionámo-nos se o mesmo controlo de corrente poderia ser redireccionado das células para as moléculas, substituindo os eléctrodos voltados para os neurónios por pares de eléctrodos em anel que pudessem localizar o pH para a síntese de ADN. Funcionou.”
O armazenamento de dados de DNA pode ser uma aplicação futura
Além de aplicações potenciais em biologia sintética e diagnóstico médico, a equipe demonstrou outra possibilidade ao usar 64 sequências de DNA sintetizadas para codificar texto de 169 bytes.
Embora o armazenamento de dados baseado em ADN continue a ser um objectivo a longo prazo porque requer a produção de ADN em grande escala, os investigadores acreditam que a síntese enzimática à base de água pode tornar-se cada vez mais atractiva à medida que os volumes de produção aumentam. A redução do uso de solventes pode reduzir significativamente o impacto ambiental da produção de DNA em larga escala.
“Armazenar dados de DNA requer que a síntese de DNA opere em uma escala que excede em muito as necessidades atuais”, disse Woo-Bin Jung, um dos autores do estudo e agora professor assistente no Departamento de Engenharia Química da Universidade de Ciência e Tecnologia de Phang Nga (POSTECH), que trabalhou como pós-doutorado no laboratório de Ham. “É por isso que a síntese enzimática em água pode fazer a diferença. Se muito mais de 64 sequências puderem ser sintetizadas em paralelo, poderá oferecer uma forma ambientalmente correta de registrar DNA em uma escala muito grande.”
O próximo obstáculo é a química
Os pesquisadores também queriam ver até que ponto o chip poderia ser dimensionado. Eles criaram chips com locais de síntese mais próximos, na esperança de aumentar o número de sequências de DNA produzidas de uma só vez.
O experimento não teve sucesso, mas revelou informações importantes. O próprio chip limitou precisamente o pH baixo aos locais designados. A verdadeira limitação tem a ver com os produtos químicos utilizados durante a desprotecção.
Em vez de remover diretamente os grupos bloqueadores, o pH baixo cria moléculas intermediárias que realizam a etapa de desproteção. Estas moléculas intermediárias podem derivar para locais adjacentes de síntese, reduzindo a separação entre as reações, mesmo que o pH permaneça rigorosamente controlado.
“O chip fez o que pedimos: localizou pH baixo em locais selecionados”, disse Han Sae-jung, um dos autores do estudo e ex-aluno de graduação e atual pós-doutorado em Harvard. “A limitação vem da química de desproteção, não do silício. Isso deixa um claro próximo passo para o campo desenvolver uma química de desproteção mais direta, acionada por ácido, que possa acompanhar o ritmo do chip.”
Cooperação e apoio à investigação
O projeto foi uma colaboração conjunta de pesquisadores de Harvard, do Broad Institute, do DNA Script e, posteriormente, da POSTECH. O Escritório de Desenvolvimento Tecnológico de Harvard registrou propriedade intelectual relacionada à plataforma. O estudo é intitulado “Síntese Enzimática Paralela de DNA Usando um Chip Semicondutor”.
A pesquisa foi apoiada em parte pelo Gabinete do Diretor de Inteligência Nacional (ODNI), Atividades de Pesquisa Avançada de Inteligência (IARPA), até 2019-19081900002, Horizon Europe, Hyperion Project ID: 101115253, e o Centro de Incubação e Financiamento de Pesquisa Samsung para Samsung Electronics Future Technologies sob o número de projeto SRFC-IT2402-09.
